Terobosan Argonne: X-Ray Nanotomografi Mencapai Resolusi Tak Tertandingi
Selama bertahun-tahun, ini adalah kebenaran: jika Anda ingin mempelajari gerakan dan perilaku atom tunggal, mikroskopi elektron dapat memberikan apa yang tidak dapat dilakukan oleh sinar X. Sinar X unyah menembus sampel — mereka memungkinkan Anda melihat apa yang terjadi di dalam baterai saat mencoret dan mencoret, misalnya — tetapi secara historis mereka tidak dapat mengambil citra spasial dengan presisi yang sama seperti elektron.
Namun, ilmuwan sedang bekerja untuk meningkatkan resolusi citra teknik sinar X. Salah satu metodenya adalah tomografi sinar X, yang memungkinkan citra noninvasif di dalam materi. Misalnya, jika Anda ingin memetakan keribalan sirkuit mikro, atau melacak neuron dalam otak tanpa merusak materi yang Anda lihat, Anda membutuhkan tomografi sinar X, dan semakin baik resolusinya, semakin kecil fenomena yang dapat Anda lacak dengan sinar X.
Untuk itu, sekelompok ilmuwan yang dipimpin oleh Laboratorium Nasional Argonne dari Departemen Energi AS (DOE) telah menciptakan metode baru untuk meningkatkan resolusi tomografi nanot sinar X keras. (Tomografi nano adalah citra sinar X pada skala nanometer. Untuk perbandingan, rambut manusia rata-rata lebarnya 100.000 nanometer.) Tim membangun mikroskop sinar X resolusi tinggi menggunakan sinar X canggih dari Sumber Foton Canggih (APS) dan menciptakan algoritma komputer baru untuk mengatasi masalah yang dihadapi pada skala yang sangat kecil. Dengan metode ini, tim mencapai resolusi di bawah 10 nanometer. Menurut peneliti, optik dan algoritma ini juga dapat diterapkan pada teknik sinar X lainnya.
Menggunakan Mikroskop Sinar X Transmisi (TXM) internal di garis sinar 32-ID APS — termasuk lensa khusus yang dibuat di Pusat Material Nanoscale (CNM) — tim mampu menggunakan karakteristik unik sinar X dan mencapai citra 3D resolusi tinggi dalam waktu sekitar satu jam. Namun, citra tersebut masih tidak pada resolusi yang diinginkan, jadi tim merancang teknik baru yang didorong komputer untuk meningkatkannya lebih lanjut.
Masalah utama yang tim berusaha memperbaiki adalah drift dan deformasi sampel. Pada skala ini, jika sampel bergerak dalam sinar, bahkan hanya beberapa nanometer, atau jika sinar X menyebabkan perubahan yang paling kecil pada sampel itu sendiri, hasilnya akan berupa artefak gerakan pada citra 3D sampel. Ini dapat membuat analisis selanjutnya jauh lebih sulit.
Drift sampel dapat disebabkan oleh segala macam hal pada skala ini, termasuk perubahan suhu. Untuk melakukan tomografi, sampel juga harus diputar dengan sangat presisi dalam sinar, dan ini dapat menyebabkan kesalahan gerakan yang terlihat seperti drift sampel dalam data. Algoritma baru tim Argonne bekerja untuk menghapus masalah ini, menghasilkan citra 3D yang lebih jelas dan lebih tajam.
Tim menguji peralatan dan teknik mereka dengan beberapa cara. Pertama, mereka menangkap citra 2D dan 3D dari piring kecil dengan fitur lebar 16 nanometer yang dibuat oleh Kenan Li, sebelumnya dari Northwestern University dan sekarang di Laboratorium Akselerator Nasional SLAC DOE. Mereka mampu mencitrakan cacat kecil dalam struktur piring. Kemudian mereka mengujinya pada perangkat penyimpanan energi elektrokimia aktual, menggunakan sinar X untuk melihat ke dalam dan menangkap citra resolusi tinggi. Namun, mereka merasa masih ada ruang untuk teknik ini untuk meningkat.
Kemampuan instrumen dan teknik ini akan meningkat dengan upaya penelitian dan pengembangan yang berkelanjutan pada optik dan detektor, dan akan mendapat manfaat dari peningkatan APS yang sedang berlangsung. Setelah selesai, fasilitas yang ditingkatkan akan menghasilkan sinar X energi tinggi yang hingga 500 kali lebih terang dari yang saat ini memungkinkan, dan kemajuan lebih lanjut dalam optik sinar X akan memungkinkan sempit yang lebih sempit dengan resolusi lebih tinggi. Setelah peningkatan, mereka akan menargetkan delapan nanometer dan di bawahnya, berharap ini akan menjadi alat yang kuat untuk penelitian pada skala yang semakin kecil.
